Ученые из Сианьского университета Цзяотун разработали танталовый сплав, который сохраняет прочность при температурах до 2400 °C. Материал рассчитан на узлы, где обычные жаропрочные сплавы уже выходят за рабочий диапазон: камеры сгорания, элементы ракетных двигателей и теплонагруженные детали космических аппаратов. Авторы работы называют его основой для нового класса сверхжаропрочных материалов.
Задача для отрасли понятна: современные авиационные и космические системы все чаще требуют материалов, способных работать выше 2000 °C. Никелевые суперсплавы, на которых держится значительная часть горячих секций турбин, обычно ограничены диапазоном заметно ниже этой отметки. Поэтому инженеры возвращаются к тугоплавким металлам, прежде всего к танталу, ниобию, молибдену и вольфраму.
Новый материал относится к оксидно-дисперсионно-упрочненным танталовым сплавам и обозначен как B-ODS. Исследователи добавили бор и перераспределили упрочняющие частицы внутри структуры сплава. На выходе получился материал с пределом прочности выше 800 МПа при комнатной температуре и с приемлемой пластичностью, то есть речь идет не только о лабораторной твердости, но и о сплаве, который можно обрабатывать в производстве.
Главные цифры относятся к горячему режиму. При 2000 °C сплав сохраняет прочность около 200 МПа, при 2400 °C около 100 МПа. Для сравнения, танталовый сплав T-222, который NASA изучало для высокотемпературных конструкций, при 1926 °C выдерживает менее 100 МПа. По данным авторов, новый состав примерно вдвое превосходит традиционные танталовые сплавы в верхнем температурном диапазоне и лучше переносит длительную нагрузку.
У таких материалов есть понятная ниша. В ракетной технике сегодня широко применяют, например, ниобиевый сплав C103 для сопел и вставок в горячих секциях, а для теплозащиты используют углерод-углеродные композиты и ультравысокотемпературную керамику. У тантала другой профиль: он тяжелее альтернатив, зато дает запас по температуре и механической прочности там, где счет идет уже не на сотни, а на тысячи градусов.
Практическая ценность новой разработки будет зависеть не только от прочности. Для серийного применения в двигателях и обшивке космических аппаратов материалу еще предстоит пройти проверку на окисление, термоциклирование и стоимость производства. В аэрокосмической отрасли такие испытания обычно занимают годы, зато выигрыш даже в десятки градусов часто окупает весь цикл разработки.